（计算机应用技术专业论文）决策支持技术在电能质量监测中的研究与应用.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着电能在国民经济各部门中的广泛应用，用电负荷迅速增加，电能质量问题r 益 突出，电能质量问题同趋重要，对电网中的电能质量问题进行准确的动态监测和及时的 报警预测，是保障各级电力用户正常用电秩序，加强电网电能质量管理和监控的前提。 本文围绕这一主题，以电能质量领域研究的主要问题和现场实际应用需要为基 础，将决策支持技术研究并应用到电能质量监测中，构建了电能质量在线监测系统，分 析和设计了系统的电能质量数据分析，问题分类与预测以及数据实时显示等功能。本文 主要研究并应用小波分析、贝叶斯判别分类等方法提取电能质量问题特征数据，以重点 实现对某电力部门电能质量实时监测数据的在线分析，电能质量问题的分析、分 类与报警预测，预测结果以及各项数据指标的实时显示等功能。 关键词：电能质量，在线监测，决策支持，报警预测 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fe l e c t r i cp o w e ri nv a r i o u sn a t i o n a le c o n o m y d e p a r t m e n t sa n dt h er a p i di n c r e a s eo fe l e c t r i cp o w e rl o a d ，p r o b l e m so fe l e c t r i c p o w e rq u a l i t yh a v ei n c r e a s i n g l yb e c o m em o r ei m p o r t a n t a c c u r a t ed y n a m i c m o n i t o r i n ga n dt i m e l yp r e d i c t i n ga l a r mi ng r i da r et h ep r e c o n d i t i o no fe n s u r i n g n o r m a lo r d e ro fp o w e rs u p p l yt ou s e r sa n ds t r e n g t h e n i n gt h em a n a g e m e n ta n d m o n i t o r i n go fe l e c t r i cp o w e rq u a l i t y b a s e do np r o b l e m so fe l e c t r i cp o w e rq u a l i t y a n dr e q u i r e m e n t so ff i e l d w o r k ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fd e c i s i o n s u p p o r tt e c h n o l o g y a n di t s a p p l i c a t i o n i n m o n i t o r i n g ，t o c o n s t r u c to n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mi nw h i c ht h ef u n c t i o n so fd a t aa n a l y s i s ，p r o b l e m - c l a s s i f y i n ga n d p r e d i c t i n g ，r e a l t i m ed a t ad i s p l a y i n ga r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d m e a n w h i l e ，t h i s t h e s i sc a r r i e so u tt h eo n l i n ea n a l y s i so fr e a l t i m em o n i t o r i n gd a t ai nac e r t a i n e l e c t r i cp o w e rd e p a r t m e n t ，a n a l y s e st h ep r o b l e m so fe l e c t r i cp o w e rq u a l i t ya n d a c h i e v e st h ef u n c t i o n so fc l a s s i f y i n g ，p r e d i c t i n ga l a r ma n dt h er e a l t i m ed i s p l a y i n g o f e a c hd a t ai n d e xt h r o u g ht h em e t h o d so fw a v e l e ta n a l y s i sa n db a y e sc l a s s i f i c a t i o n y uy e ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f w a n gm o y u k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，o n - l i n em o n i t o r i n g ，d e c i s i o ns u p p o r t ，p r e d i c t i n g a n da l a r m i n g 华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着电能在国民经济各部门中的广泛应用，用电负荷迅速增加，电能质量问题r 益 突出，电能质量问题同趋重要，对电网中的电能质量问题进行准确的动态监测和及时的 报警预测，是保障各级电力用户正常用电秩序，加强电网电能质量管理和监控的前提。 本文围绕这一主题，以电能质量领域研究的主要问题和现场实际应用需要为基 础，将决策支持技术研究并应用到电能质量监测中，构建了电能质量在线监测系统，分 析和设计了系统的电能质量数据分析，问题分类与预测以及数据实时显示等功能。本文 主要研究并应用小波分析、贝叶斯判别分类等方法提取电能质量问题特征数据，以重点 实现对某电力部门电能质量实时监测数据的在线分析，电能质量问题的分析、分 类与报警预测，预测结果以及各项数据指标的实时显示等功能。 关键词：电能质量，在线监测，决策支持，报警预测 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fe l e c t r i cp o w e ri nv a r i o u sn a t i o n a le c o n o m y d e p a r t m e n t sa n dt h er a p i di n c r e a s eo fe l e c t r i cp o w e rl o a d ，p r o b l e m so fe l e c t r i c p o w e rq u a l i t yh a v ei n c r e a s i n g l yb e c o m em o r ei m p o r t a n t a c c u r a t ed y n a m i c m o n i t o r i n ga n dt i m e l yp r e d i c t i n ga l a r mi ng r i da r et h ep r e c o n d i t i o no fe n s u r i n g n o r m a lo r d e ro fp o w e rs u p p l yt ou s e r sa n ds t r e n g t h e n i n gt h em a n a g e m e n ta n d m o n i t o r i n go fe l e c t r i cp o w e rq u a l i t y b a s e do np r o b l e m so fe l e c t r i cp o w e rq u a l i t y a n dr e q u i r e m e n t so ff i e l d w o r k ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fd e c i s i o n s u p p o r tt e c h n o l o g y a n di t s a p p l i c a t i o n i n m o n i t o r i n g ，t o c o n s t r u c to n l i n e m o n i t o r i n gs y s t e mi nw h i c ht h ef u n c t i o n so fd a t aa n a l y s i s ，p r o b l e m - c l a s s i f y i n ga n d p r e d i c t i n g ，r e a l t i m ed a t ad i s p l a y i n ga r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d m e a n w h i l e ，t h i s t h e s i sc a r r i e so u tt h eo n l i n ea n a l y s i so fr e a l t i m em o n i t o r i n gd a t ai nac e r t a i n e l e c t r i cp o w e rd e p a r t m e n t ，a n a l y s e st h ep r o b l e m so fe l e c t r i cp o w e rq u a l i t ya n d a c h i e v e st h ef u n c t i o n so fc l a s s i f y i n g ，p r e d i c t i n ga l a r ma n dt h er e a l t i m ed i s p l a y i n g o f e a c hd a t ai n d e xt h r o u g ht h em e t h o d so fw a v e l e ta n a l y s i sa n db a y e sc l a s s i f i c a t i o n y uy e ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f w a n gm o y u k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，o n - l i n em o n i t o r i n g ，d e c i s i o ns u p p o r t ，p r e d i c t i n g a n da l a r m i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文决策支持技术在电能质量监测中的研 究与应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 篮 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：童：监 日期：2 翊，2 ：兰6 五一 捌氅 名 期 签 币j i y导 日 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章概述弟一早僦尬 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度成为一个国家发展 水平的主要标志之一，一个理想的电能应以恒定的频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 和正弦 波形，按规定的电压水平( 标称电压) 对用户供电，而在实际的电网运行中，电能 的生产、输送都会受到当前电气设备和负荷的影响，电网中出现诸如波形畸变、电 压闪变、电压骤降等较为严重的电能质量问题。同时又由于现代科学技术的飞速发 展，为了提高生产力，大量先进的电子，电动仪器应用于工业生产过程中，这些精 密、复杂的电子、电动设备也要求高质量和高可靠性的电能供应，由电能质量引起 的事故问题日渐增多，不仅损害了用户设备，而且也严重影响到电网的安全运行。 若不采取合适的缓解措施，电压干扰会使设备不能正常工作或误动作，带来巨大的 经济损失。据报道，美国电力科学研究院j a n ec l e m m e n s e n 的粗略估计，认为当今 和电能质量相关的问题在美国每年造成的损失高达2 6 0 亿美元【2 j 。由此，在对电能 质量进行监测的同时，如何能够快速、准确地预先了解电能质量问题类型，对产生 的电能危害原因尽早发现和解决，以及如何预先避免电能问题和问题带来的危害， 已成为相关部门目前亟需解决的问题。 电能质量直接关系到国民经济的总体效益，自2 0 世纪8 0 年代以来，随着新型 电力负荷，各种高精密设备的迅速发展以及它们对电能质量要求的不断提高，由电 能质量问题造成的事故、损失逐年增加，电能质量逐渐成为电力企业和用户共同关 心的问题，吸引了许多科研机构、高等院校和大批国家科技工作者投入其中从事相 应的研究工作。总结起来，电能质量问题越来越受到关注的主要原因有以下几个方 面： 1 、为了提高劳动生产率和自动化水平，大量先进设备的投入使用，这些装置 设备对电能质量非常敏感，以往可以忽略的电能质量问题，目前有可能造成设备的 损坏以及设备使用期间出现的误差，从而造成无法估计的经济损失。 2 、现代电力系统输电网中电力负荷结构已经发生了重大变化，非线性、冲击 性负荷的用电特性，使电网的电压波形发生畸变或产生相应的电能质量问题，对供 电质量造成严重的干扰。 3 、电能作为商品在电力市场下运营，发电侧实行竞价机制，这样一个开放和 鼓励竞争的运行环境必然对电能质量提出更高的要求。 充分了解电能质量问题类型，对各种电能质量问题进行正确的识别、分类与报 华北电力大学硕士学位论文 警预测，进而针对电能质量问题原因采取相应措施，避免问题的发生，以达到改善 电能质量的目的，对于电网的安全、经济运行，用户用电效率，保证工业发展等都 具有重要意义。但就电能质量监测来说，由于监测到的电能质量相关数据十分庞大， 即使对于熟练的技术人员，电能质量问题的识别与分类也是一项相当费时费力的工 作。预先了解问题类型，尽快找出问题原因，把决策支持技术应用在电能质量监测 方面，对实现各种问题快速准确的分析、识别、自动分类，以及对电能质量问题的 类型，造成问题的原因，相应的治理措施给予报警预测，使辅助决策者采取有效措 施，避免问题的发生，保证电网电能质量的正常运行，无疑是非常重要的。 1 2 国内外电能质量监测研究现状 在工业发达国家，电能质量问题早已被当作电力系统面临的重要问题来看待， 有关电能质量控制的研究正掀起高潮，己得出不少理论成果，并提出一系列综合监 测控制和管理方法。1 9 9 6 年，由欧共体率先将电气产品的电磁兼容性要求纳入国家 技术法规的范畴，其中就包括电能质量标准。同年，i e e e 将每两年召开一次的电力 谐波国际学术会议( i c h p s ) 更名为电力谐波与电能质量学术会议( i c h q p ) ，把电能 质量提高到一个新的认识高度。现今，采用先进的电力电子技术和计算机技术、网 络技术研究电能质量问题和开发相关监测治理装置己成为近年来电力系统研究的 新热点。 电能作为产品，其形式单一，它的生产、传输和消耗的过程都独具特色，决定 了其质量含义的不同，为了能系统地分析和研究电能质量现象，并能够对电能质量 问题进行识别与分类，从中找出引起问题的原因和采取有效的解决办法。国际电气 电子工程师协会( i e e e ) 标准化委员协调委员会制定了电力系统电磁现象的特征参 数及分类，为电能质量确定了相应的一些监测指标。而国内对电能质量问题也极为 重视，国家质量技术监督局已经相继颁布了涉及电能质量六个方面的标准：电能 质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 9 4 1 9 9 3 ) 、电能质量电压波动和闪变 ( g b t 1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、电能质量三相电压允许不平衡度( g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) ， 电能质量供电电压允许偏差( g b t 1 2 3 2 5 9 0 ) ，电能质量电力系统频率允 许偏差( g b t 1 5 9 4 5 9 5 ) 、电能质量暂时过电压和瞬态过电压 ( g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 。这些标准的制定，为电能质量的监测提供了有效的依据。根 据这些标准，可以采用相关设备进行监测电能质量状况。 目前，国内外对电能质量的监测方式大致主要包括了三种方式： 1 、对监测点现场测试 由于监测点所处的地域分散，人力的不足，电力部门只得派遣专门技术人员携 带便携式监测仪器到分散在各个地区的发电厂、变电站等监测点进行现场测试。为 2 华北电力大学硕士学位论文 此，国外研制了各种电能质量监测装置，其中较为出色的便携式监测仪器主要有： 美国f l u k e 公司开发研制的1 6 5 0 便携式电能质量监测仪，美国a m e t e k 公司研制 的便携式电能质量分析仪m e r i d e i a nu l t r a 等等。 由于监测点地域位置，监测设备以及部分便携设备较为强大的功能等原因，该 监测方式目前依然存在并被广泛使用。但是，不少电能质量监测装置的也存在着自 身的缺点。例如：日本日置公司生产的3 1 9 3 系列电能质量分析仪价格昂贵，用户 升级比较困难，操作界面窄小，需要通过繁杂的操作才能完成测量与分析，不能对 电能质量进行长时间的在线分析，不具备数据远传和远程监控功能。 2 、以监测仪器为核心的局部在线监测 目前一些电能质量监测系统是以某一厂家的监测仪器为核心，建立小范围的数 据中心，该方法利用了计算机网络技术的发展，实现了局部范围内的在线监澳l j 3 , 4 】。 例如：p qs e c u r e _ 在线式电能质量监测系统，该系统功能较全、精度高、技术先进、 使用方便，目前已经应用于二十多个国家得到了广泛的认可。 此类方式已经得到各国的广泛开发和使用。但是，该方法目前为止在数据共享， 数据远传等方面较为乏力，并且由于大多数厂家的装置监测指标较少，厂家装置之 间监测内容并不统一，该方法暂时还无法提供多项电能指标综合监测。 3 、网络型电能质量监测系统 随着计算机技术、网络技术的发展，一些国内外的研究人员提出采用先进的软、 硬件技术，网络技术，将电能质量监测网络化，信息化【5 , 6 , 7 】。该方法使电能质量监 测不再局限于某一点，实现了同供电系统、不同地点的电能质量监测。例如：比 利时电网公司( c p t e ) 在电力市场化的进程中注意输电网和用户连接点( 指发电厂、 工业用户、配电系统) 的电能质量监测和管理，涉及到全电网5 0 个电厂、2 5 0 个高 压工业用户和4 0 0 个配电系统。 截至目前为止，大多数现已设计并应用中的网络型监测系统实现了针对电能质 量数据指标的合格率统计，以记录电能质量历史运行状况，并针对电能质量历史状 态进行定期综合评测。但是，由于网络构建等原因，系统在实时性方面并不是很令 人满意，管理者和领导者大都根据以往的、定期的数据报表获得电能质量历史运行 状态信息，同时，系统不具备对电能质量数据的实时综合测量分析，电能质量问题 类型的快速、准确分类、报警以及问题原因预测等功能，不能及时发现电能质量的 异常现象，数据信息内容滞后。 相对国外而言，国内对电能质量监测装置的开发研制也在不断前进，但监测系 统的研发还不够完善。上面叙述的监测方式部分在国内也普遍存在。目前，大多数 监测方式还处在通过管理人员的现场测量获得数据，数据内容是滞后的，发生问题 的实时数据不能及时获得，而获得的数据也未能及时反馈给决策者。还有一些部门 是以某一厂家的监测仪器为核心的局部范围内的在线监测，但没有形成对电能质量 3 华北电力大学硕士学位论文 的长期连续监测以及决策分析。 电力部门，作为一个现代企业，有效的把管理、决策、市场和生产过程控制等 各层信息结合起来，通过各层之间的信息交换，协调为一个有机的整体，构成较为 完整的企业信息网络结构。显然，上述监测方式已经很难满足当前电力部门作为现 代企业发展的需要，一个多功能化、网络化、稳定持续的电能质量监测并辅助决策 支持的监测系统成为必须。 1 3 课题研究的主要目标与内容 就电能质量监测来说，一个电能质量异常数据往往含有多种电能质量问题特征 信息，同时又由于监测到的电能质量相关数据十分庞大，即使对于熟练的技术人员， 从异常数据信息中找出多种电能质量问题发生前的特征数据，并对其多种电能质量 问题进行准确的识别与分类也是一项相当费时费力的工作。如何快速、准确的预先 了解线路中的电能质量问题类型，对电能质量问题类型，造成问题的原因，相应的 治理措施给予报警预测，为管理者及时决策提供可靠实时的决策信息，辅助管理人 员采取相应治理措施，避免问题的发生，保证电网电能质量的正常运行，无疑非常 重要。 由此，课题研究主要目标是通过对监测点现场需求进行分析，完善现有的网络 环境，构建满足应用需求、合理的电能质量监测体系，并通过对电能质量实时数据 进行数据分析，选用合理的计算分析方法，从中提取电能质量问题发生前的特征数 据信息，以此来对线路中可能发生的电能质量问题进行快速、准确的识别与分类， 针对电能质量问题类型，引起各问题的原因和相应的有效解决办法给予报警预测， 为下一步决策提供辅助依据，以及时维护设备，避免灾难性故障发生。 课题研究内容包括： l 、调研电能质量领域的研究方向和现场实际需要，研究在电能质量监测数据 分析中使用的各种计算方法，如：f f t 、小波方法等。研究电能质量问题前的特征 量数据、问题分类以及造成电能质量问题的可能原因及其相应治理措施的建议，分 析和设计系统的具体功能，以提高监测体系的工作效率和管理能力； 2 、研究决策支持技术和理论，研究可以应用在电能质量监测中的预测方法， 如：神经网络法、贝叶斯判别等； 3 、构建系统，通过对实时数据分析，以得出比较准确的电能质量问题的分析、 分类结果和合理的辅助决策建议，以及时发现和消除电网中的薄弱环节，辅助管理 人员采取有效措施，以避免问题的发生，加强电网电能质量的管理与监控，提供和 保证优质的电能供应。通过测试，进一步完善决策支持技术在电能质量监测中的应 用。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章建模理论与方法的研究 2 1 决策支持系统的定义与产生 1 、决策支持系统的定义 决策支持系统简称d s s ( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) ，是计算机科学的一个重要分 支，它是在管理信息系统的基础上产生发展起来的。传统的管理信息系统实现了信 息的收集、管理和查询等功能，它只提供给管理人员信息的表面的、肤浅的形式， 并不能提供辅助决策的功能。 决策支持系统是以管理科学、运筹学、控制论和行为科学为基础，以计算机技 术、仿真技术、人工智能技术、信息技术为手段，面向结构化、半结构化、非结构 化的决策问题，辅助支持决策者的决策活动，为决策者提供所需要的信息数据和材 料等，提供多种的决策参考方案，从中选出最佳方案，为决策者做出正确决策提供 有力的支持。使得整个系统具有试探、推理、演绎等类似人工智能的功能，构成具 有智能作用的人机集成系统，在决策过程中以人机交互的方式进行。 2 、决策支持系统的产生 电子计算机问世后不久就被应用于管理领域，人们主要用它进行数据处理和编 制报表，其目的是实现办公室自动化，通常把这一类系统所涉及到的技术称作电子 数据处理e d p ( e l e c t r o n i cd a t ap r o c e s s ) 。e d p 把人们从繁琐的事务处理中解脱出来， 大大提高了工作效率。但是，任何一项数据处理都不是孤立的，它必须与其他工作 进行信息交换和资源共享，因此有必要对一个企业的信息进行整体分析和系统设 计，从而使整个工作协调一致。在这种情况下，管理信息系统m i s ( m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 应运而生，使信息处理技术进入了一个新的阶段，并迅速得到 发展。但是，m i s 只能帮助管理者对信息作表面上的组织和管理，而不能把信息的 内在规律更深刻的挖掘出来为决策服务。于是人们期望一种新的用于管理的信息系 统，它在某种程度上可克服上述缺点，为决策者提供一些切实可行的帮助。 自7 0 年代中期k e e n 和s c o t tm o r t o n 创造了“决策支持系统( d s s ) 一词至今， 作为用于管理的一种新型的计算机信息系统d s s 已经得到了迅速的发展，它已 经成为系统工程、管理科学、人工智能等领域十分活跃的研究课题。2 0 世纪7 0 年 代末以来，与完成这一任务相关的学科都有了长足的进步，已发展到完善地步的运 筹学模型，数理统计方法及其软件的发展，突破单一的效用理论框架的多目标决策 分析，人工智能方面的知识表达技术、专家系统语言及智能用户界面的发展，小型、 高效率、廉价的微机工作站的出现，数据库及其管理系统，图形专用软件，各类软 5 华北电力大学硕士学位论文 件开发工具等均为广泛的研制和应用d s s 提供了良好的技术准备和物质准备【8 ，9 】。 2 2 决策支持系统的结构 决策支持系统的设计是以问题驱动的，重视解决问题的决策模式的研究与模型 的使用。因而除了数据库以外，还包含了模型、方法、知识等信息资源的存储管理 以及问题处理等组成要素。决策支持系统主要由人机接口、数据库系统、模型库系 统、知识库系统和方法库系统五部分组成【1 0 , 1 1 】。其结构如图2 1 所示： 用户 图2 1 具有四库的决策支持系统结构图 1 、数据库及其管理系统 数据库( d b ) 是决策支持系统的一个最基本的部件。数据库和数据库管理技术 已经相当成熟，数据库管理系统( d b m s ) 是人们所熟知的。数据库方法和功能强 大的数据库管理系统的优点对开发和使用决策支持系统是非常重要的。然而，在传 统的数据库、数据通信方法与决策支持系统所用的方法之间毕竟存在着某些显著的 差别。 首先，决策支持系统具有重要的，比通常在典型的非决策支持系统应用中所发 现的要丰富的多的数据源。其次，在决策支持系统中从更宽阔的数据源集合中捕获 和吸取数据也是很重要的。决策支持系统必须要建立某种与别的数据库在逻辑上分 离的数据库。决策支持系统的这种性质要求数据库存取过程和数据库管理系统应是 灵活的，要求对不能预先处理的用户请求有快速地添加和改变的响应。 2 、模型库及其管理系统 6 华北电力大学硕士学位论文 模型库系统是传统决策支持系统的三大支柱之一，是决策支持系统最有特色的 部件之一。与管理信息系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ，m i s ) 相比，决策支 持系统之所以能够对决策制定过程提供有效的支持，除了系统设计思想不同外，主 要在于决策支持系统中有能为决策者提供推理，比较选择和分析整个问题的模型 库。因此，模型库及其相应的模型库管理系统在决策支持系统中占有十分重要的地 位。 3 、方法库及其管理系统 方法库是决策支持系统的另一个富有特色的部件，其主要是一个软件系统，它 综合了数据库和程序库，用来存储辅助决策所用的各种方法，一个事物的模型一旦 确定，就对应其相应得方法去解这个模型，但解决该事物的方法可能有好几种，因 此，方法的选择需要我们去决策。新一代的方法库系统应该具有如下几个功能： ( 1 ) 方法库系统是具有扩充性的程序组件，它们可以和多种数据库相连接， 并有与应用有关的控制系统，它把特定应用的要求转换成为相应的系统程序； ( 2 ) 可扩充性是指在组件集合( 程序库或者方法库) 中随时可以加入新的组 件( 程序或者方法) ，这包括完全新建的方法和组合生成的方法。 4 、知识库及其管理系统 当决策支持系统向智能方向发展时，知识和推理的研究就显得越来越重要。事 实上，也只有当知识和推理技术被娴熟的用于d s s 时，才可能真正达到决策支持所 提出的目标。决策支持系统设立知识库，其总目的是为了扩大与决策者共有的知识 领域，以便更好的沟通思维。开发知识库的关键技术是：知识的表示、知识的获取 与解释、知识推理以及知识库的管理与维护。 5 、人机接口 人机接口把用户与数据库、模型库、知识库、方法库等联系在一起。在决策过 程中，决策者对各库进行操作和控制。发展到今天的决策支持系统，其人机接口应 满足如下几点要求： ( 1 ) 交互为决策者提供进一步解决决策问题的过程； ( 2 ) 交互提供决策支持系统适应新的决策问题及环境的手段，通过交互决策 者可以构建新的决策问题，增加新的模型及与模型有关的概念、数据和知识，以适 应新的环境变化的要求： ( 3 ) 交互为决策者提供控制的权力。决策问题不同于自然科学问题，既要考 虑客观因素又要考虑人文因素的影响，需要根据决策者的个人决策风格、偏好、随 机制约因素等做出决策。 7 华北电力大学硕士学位论文 2 3 决策支持系统的方法 l 、决策支持系统的开发方法 决策支持系统的开发方法一般采用目标导向法( o b j e c to r i e n t e d ) 和原型方法 ( p r o t o t y p i n g ) 相结合的方法。 从开发一个系统的角度来分析，决策支持可以分为三个不同的技术层次：决策 支持工具，即决策支持系统的基本技术部件；决策支持的生成器，即组织决策支持 系统的通用框架；专用的决策支持，即针对具体的决策问题由决策支持系统生成器 生成的实际应用系统。三个技术层次之间的关系如图2 2 所示。 图2 2 技术层次关系图 最底层的设计工作由专业软件人员完成，用户是最高层的使用者。从最底层到 中间层的构建过程是系统工程师的任务：中间层是面对决策支持系统建造者的，中 间层到最高层的设计过程是系统分析设计人员的主要任务。决策支持系统的开发过 程通常是针对具体目标，分为问题分析、可行性研究、开发方法和开发决策的选择、 开发系统和支持决策五个阶段。 2 、决策支持系统的基本方法 从决策支持系统的概念可以看出决策支持系统是一个边缘性、交叉性很强的科 学。它涉及的方面很广，如计算机科学、管理学、运筹学、人工智能、经济数学等 领域的知识。因此决策支持系统的方法也呈现出多样性。决策支持系统的方法按照 不同的领域可分为以下几种： ( 1 ) 报警预测技术 ( 2 ) 确定性决策技术 ( 3 ) 风险性决策技术 ( 4 ) 不确定性技术 ( 5 ) 多目标决策技术 ( 6 ) 竞争型决策技术 其中在电力系统中可以比较广泛应用的是报警预测技术。在报警预测技术中涉 及的方法可以有以下几种： ( 1 ) 专家系统法 ( 2 ) 模糊诊断法 ( 3 ) 神经网络法 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 贝叶斯判别法 电能质量监测中的电能质量问题类型分类可以由报警预测技术中的贝叶斯判 别法来实现。 2 4 电能质量相关分析方法 近年来，基于数字技术的各种分析方法已在电能质量领域中得到了广泛应用。 如分析谐波在网络中的分布、自动识别在复杂系统中的电能质量问题类型等等。按 所采用的不同分析方法，这种技术主要可分为时域、频域和变换域三种分析方法。 1 、时域处理技术 在三种方法中，时域处理技术在电能质量分析中的应用最为广泛，其最主要的 用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态问题进行研究。目前较 为通用的时域仿真程序主要有e m t p 、e m t d c 、n e t o m a c 、a t p 等系统暂态仿真 程序和s p i c e 、p s p i c e 、s a b e r 等电力电子仿真程序两大类。它可直接提取波形 特征进行分析，具有物理意义明确、直观性强的特点。常用的方法有均方根值法。 连续周期信号得均方根值定义为： = 舸 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中t 为信号周期。 如果周期t 不存在或者t 小于被测信号的半个周期，则采用式( 2 1 ) 的计算 是不再具有有效值的含义。对信号进行数字化处理后，积分运算可采用下面的求和 运算实现。 斤1 函广一 2 专萎伊) ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 中n 为总的采样点数。 采用时域仿真方法的缺点是仿真步长的选取决定了可模仿的最大频率范围，因 此必须事先知道暂态过程的频率覆盖范围。此外，在模仿开关的开合过程时，还会 引起数值振荡【12 1 。 2 、频域分析方法 对电能质量进行时域分析时，有时一些信号的时域参数相同，但并不能说明信 号就是完全相同的，因为信号不仅随时间变化，还与频率信息有关，这就需要分析 信号的频率结构，由此，出现了对电能信号的频域分析方法。频域分析方法主要用 于电能质量中谐波问题的分析，包括频率扫描、谐波潮流计算等【1 3 , 1 4 】。 频率扫描和谐波潮流计算在反映非线性负载动态特性方面有一定局限性，因此 9 华北电力大学硕士学位论文 混合谐波潮流计算法近年来速度发展。它在常规的谐波潮流计算基础上，利用e m t p 等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算，可求出各次谐波动态电流矢量，从而 得到动态谐波潮流解。其优点是可详细考虑非线性负载控制系统的作用，因此可精 确描述其动态特性。缺点是计算量大，求解过程复杂。 3 、基于变换的方法 在数学中，为了把较复杂的运算转换为较简单的运算，常常采用一种变换手段。 例如数量的乘积或者商可以通过对数变换变成对数的和或者差，然后再取反对数， 即得到原来数量的乘积或者商。这种变换的实质就是把较复杂的乘除运算通过对数 变换为较简单的加减运算。在实时、在线的电能质量测量和分析中，由于被测数据 必须以足够高的采样速率进行采集并存储，而且长期在线进行，所以存储的数据量 非常大。为合理的利用这些数据，目前广泛采用基于数学变换的方法进行电能质量 数据的分析。 2 5 组件技术 本文电能质量监测系统由监测装置、数据库服务器和w e b 服务器组成，同时配 合后台分析软件对监测点采集的电能质量数据进行实时分析、问题分类和预测结果 显示，并将结果录入数据库服务器，用户可通过w e b 服务器查看各监测点的实时数 据信息以及历史数据。 l 、软件体系结构 随着计算机技术、网络技术的发展，采用先进的软、硬件技术、网络技术，将 电能质量实时性监测网络化、信息化成为可能，基于w e b 的网络型电能质量监测系 统逐步取代早期采用的监测方式。而对于基于w e b 的网络型电能质量监测系统又可 采用c s ( c l i e n t s e r v e r ) 和b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 两种架构模式，前者利用了c s 架构的优势，实现了监测点的实时监测，数据更新显示迅速，但该方式需要安装客 户端软件，系统维护困难，维护成本过高，后一种架构模式避免了客户端软件的安 装，便于系统的维护和升级，且使得电能质量监测不再局限于某一点，实现了同一 供电系统、不同地点的电能质量的在线监测，电网用户可以随时通过i e 查询方式， 查看监测系统中电能质量的各种数据及报表。 2 、w e b 服务器 w e b 服务器的好坏直接关系到用户能否通过i n t e r n e t 访问数据库，实现远程数 据的调用。设计中w e b 服务器选用微软的i i s ( i n t e r n e ti n f o r m a t i o ns e r v e r ) ，通过强 大的n e t 技术，构建一个集成服务器环境，使用a d o 数据访问对象访问数据库， 主要负责处理客户层h t t p 请求、调用数据等任务。 i i s 作为微软公司主推的服务器，实质上是一个w i n d o w s 组件的集合，它支持 1 0 华北电力大学硕士学位论文 h t t p 、f t p 以及s m t p 协议，用户可以通过i i s 建立强大、灵活而安全的i n t e m e t 和i n t r a n e t 站点。 3 、n e t 体系结构 m i c r o s o f t n e t 给开发人员带来了一种全新的开发框架n e t 框架( n e t f r a m e w o r k ) 1 5 , 1 6 1 。n e tf r a m e w o r k 是一个安全、高性能与扩展性极佳的运行环境， 它的体系结构如图2 3 所示。 图2 3 n e tf r a m e w o r k 体系结构 ( 1 ) 最底层是一个通用语言环境( c o m m o nl a n g u a g er u n t i m e ，简称c l r ) ， 除了负责执行程序之外，还有提供内存管理、线程管理、安全管理、版本管理、异 常处理、通用类型系统与生命周期监控等核心服务。 ( 2 ) 中间层是n e tf r a m e w o r k 类库，提供许多类与接口。n e tf r a m e w o r k 是 以命名空间的方式来组织类库，命名空间和类库的关系就像文件系统中目录和文件 的关系一样。 ( 3 ) 最上层是用户接口与应用程序接口，“w i n d o w sf o r m s 是全新的窗口应 用程序接口，而“w e bf o r m s 与“w e bs e r v i c e s 则组成了新的因特网应用程序接 口，n e tf r a m e w o r k 将之统称为“a sp n e t 。 华北电力大学硕士学位论文 3 1 需求分析 第三章方案设计帚二早力采阪y r 本研究课题来源于内蒙古乌兰察布电业局( 简称：乌电) 电能质量监测网络的 项目。根据扰动负荷的容量、种类、重要性，以及地理分布位置等，将海城2 2 0 k v 变点所、新城湾2 2 0 k v 变电所、平地泉2 2 0 k v 变电所等9 个变电站作为监测点， 组建电能质量监测和管理体系，以加强乌电电能质量的监测与管理。 对电网中各项电能质量指标进行动态监测和分析是一项技术性、综合性很强的 工作，因此需充分了解电网系统实际情况，考虑周全。通过对乌电电能质量监测情 况的调研工作，我们了解到，目前乌电电能质量监测面临的问题包括： 1 、不具备对电能质量数据的远端实时监测。各监测点对实时采集的电能质量 数据只能进行现场计算分析，是将分析结果保存于本地。监测点是定期形成日报、 周报、月报等历史统计数据信息，通过现有网络上传给乌电电能质量监测网络中心， 再将结果存入数据库。监测中心的管理者和领导者无法远端查询监测点电能质量的 实时数据，只能根据监测点定期上传的报表数据获得有限的电能质量历史状态信 息，数据信息内容过时，且准确性难以保证，无法及时发现线路中的异常现象。 2 、电能质量监测网络中心通过离线分析的方式，对各监测点过去几周的电能 质量历史数据进行分析，分析指标较少，分析内容滞后，缺乏规范的电能质量综合 监测。 3 、不具备对可能发生的电能质量问题实时、快速的识别与分类。不具备对电 能质量问题类型，问题原因以及相应治理措施的报警预测功能。电能质量监测中心 只能根据监测点的电能质量历史数据信息分析结果，结合定期上传的历史统计数 据，由管理人员判断监测线路是否存在问题，决定是否指派专业人员携带仪器，对 曾经存在电能质量问题的监测点进行现场测试，以了解问题原因，缺乏科学的治理 流程及维护方法。 3 2 总体目标 建立与完善电能质量在线监测系统，除了必须以实用性、先进性、可靠性、可 扩充性和易维护性为基本原则，使监测网络系统具有较高的综合性能，可动态的进 行重组和扩展，便于管理和维护之外，还应结合系统和用户对电能质量的特殊要求， 将决策支持技术研究并应用于电能质量监测中，主要包括以下内容： l 、在现有网络的基础上，构建电能质量数据中心，采用目前先进的网络技术， 1 2 华北电力大学硕士学位论文 建立综合电能质量实时监测管理系统。用户、系统管理人员可以通过因特网实时查 询各监测点的电能质量实时数据以及历史数据，以方便、及时的了解电网中电能质 量实时运行状态及历史运行状况，提高监测体系的工作效率和管理能力。 2 、监测网络中心采用多种分析方法相结合的实时在线分析方式，全面、及时 的分析各监测点电能质量实时数据，综合评测监测点的电能质量运行状况。 3 、将电能质量的在线实时监测与决策支持技术有机结合起来，对线路中将要 发生的电能质量问题进行快速、准确的识别、分类与报警，并对电能质量问题类型、 造成问题的原因以及相应的治理措施给予预测并显示，及时发现和消除电网中的薄 弱环节，为电力管理人员提供辅助决策依据，加强电网电能质量的管理与监控，辅 助管理人员采取有效治理措施，以避免问题的发生，使地区各级电网的电能质量的 监测和管理在统一的计算机网络程序中规范运转。 3 3 总体结构 3 3 1 系统框架 由于电能质量问题的同趋重要，同时电网中电能质量问题也日趋严重，而当前， 乌电电能质量监测系统只具备简单的监测统计功能，监测指标内容较少，且不具有 及时分析决策功能，已逐渐无法满足现时对电能质量监测与及时治理的要求。基于 上述